CN108183603A - 一种单级无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路及其控制方法，属于电力电子技术领域。功率因数校正电路，包括无桥输入端，所述无桥输入端包括输入电感、第一开关管、第二开关管、第一寄生电容、第二寄生电容、第一整流二极管、第二整流二极管、第一反并联二极管、第二反并联二极管，功率因数校正电路还包括第三开关管、钳位电容、第三反并联二极管、谐振电感、原边电容、隔离变压器、副边电容、副边整流桥、输出电容；在一个开关周期内，采用有源钳位技术，实现主开关管和辅开关管的零电压开通。本发明的电路和控制方法，具有能实现输入输出电压隔离、所需元器件少、转换效率高、控制简单和功率因数高等优点。

Description

一种单级无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路

技术领域

本发明具体涉及一种单级无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路及其控制方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着电力电子设备的广泛应用，其对电力***的谐波污染越来越严重。开发高效率、高功率因数的变换器拓扑及其控制方式已成为研究热点。目前传统隔离型功率因数校正电路采用两级拓扑方案。前级采用低频二极管整流，并结合DC-DC（直流变直流）实现功率因数校正，后级采用高频隔离DC-DC方案，实现电压调节，由于采用两级结构，且输入端采用不控二极管整流，存在元器件较多、转换效率低和输入功率因数低等缺点。

发明内容

因此，本发明针对现有技术中的上述不足，提出一种新型单极隔离方案。

具体的，本发明提供了一种无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路，包括无桥输入端，所述无桥输入端包括输入电感、第一开关管、第二开关管、第一寄生电容、第二寄生电容、第一整流二极管、第二整流二极管、第一反并联二极管、第二反并联二极管，所述无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路还包括第三开关管、钳位电容、第三反并联二极管、谐振电感、原边电容、隔离变压器、副边电容、副边整流桥、输出电容；

输入电感一端连接输入端电源正极，输入电感另一端连接在第一开关管的发射极与第二开关管的集电极之间，输入端电源负极连接在第一整流二极管的阳极与第二整流二极管的阴极之间，第一开关管的集电极依次连接第一整流二极管的阴极、第三开关管的发射极和原边电容，谐振电感连接在原边电容和隔离变压器之间，第二开关管的发射极依次连接第二整流二极管的阳极、钳位电容负极、隔离变压器原边的另一端，第三开关管的集电极连接钳位电容的正极，第一寄生电容、第一反并联二极管均并联在第一开关管的集电极和发射极之间，第二寄生电容、第二反并联二极管均并联在第二开关管的集电极和发射极之间，第三反并联二极管并联在第三开关管的集电极和发射极之间，副边整流桥一端通过副边电容连接变压器副边，副边整流桥另一端连接输出电容。

进一步的，所述副边整流桥包括四个输入整流二极管组成的全桥整流电路。

本发明还提供了一种基于上述一种无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路的软开关控制方法，所述控制方法通过在工作周期内控制开关管导通和关断来实现，所述工作周期具体包括：

第一阶段：

第一开关管和第二主开关管导通，第三开关管关断，输入电感电流线性增加，谐振电感电流增加，但其方向为负，谐振电容电压增加，隔离变压器副边电流为负，副边电容电压减小，且谐振电感电流由负值逐渐增加到零，给输出电容充电，输出电压增加；

第二阶段：

第一开关管和第主开关管保持导通，第三开关管保持关断，输入电感电流保持线性增加，谐振电感电流由负变正，原边电容开始放电，原边电容电压开始减小，隔离变压器副边电流由负变正，副边电容开始充电，副边电容电压升高，输出电容电压升高；

第三阶段：

第一开关管和第二开关管开始关断，第三开关管保持关断，输入电感电流开始线性减小,谐振电感电流也开始减小，但依然为正值。输入电感电流给第二开关管的第二寄生电容充电，第二寄生电容电压开始升高。副边电流保持为正值，并给副边电容充电，副边电容电压增加，第三开关管的第三反并联二极管开始导通，开始给钳位电容充电；

第四阶段：

第一开关管和第二开关管保持关断,第三开关管开通，输入电感电流保持线性减小，谐振电感电流开始由减小，但方向为正，直至减小到零，副边电流保持正值并给副边电容充电，副边电容电压增加，输出电容电压增加，直至谐振电感电流减小到零；

第五阶段：

第一开关管和第二开关管关断，第三开关管开通，谐振电感电流开始由零反向增加，钳位电容开始放电。副边电流开始反向变成负值，副边电容电压减小，输入电感电流保持线性减小；

第六阶段：

第三开关管关断，谐振电感电流开始减小,方向为负，此时谐振电感中存储的能量大于第二寄生电容存储的能量，第二寄生电容电压将被放电至零，此时第一开关管、第二开关管的反并联二极管导通，若此时开通第一开关管、第二开关管，则第一开关管、第二开关管处于零电压开通状态，另一个周期开始。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种单级无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路，相比于现有技术的两级变换方案，采用无桥拓扑结构，结合软开关技术，实现功率因数校正（Power Factor Correction, PFC）、输入输出电压隔离和调节输出电压，由于其单级结构且仅经过一级功率变换，具有转换效率高、控制简单、低成本和输入电流谐波含量低和功率因数高等优点。

附图说明

图1为本发明一种无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路的电路拓扑图；

图2是本发明一种无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路的控制方法的全周期示意图；

图3是第一阶段的等效电路图；

图4是第二阶段的等效电路图；

图5是第三阶段的等效电路图；

图6是第四阶段的等效电路图；

图7是第五阶段的等效电路图；

图8是第六阶段的等效电路图；

图9a、图9b分别为主开关管及辅开关管的驱动波形和电压应力波形图；

图10为输入电压分别为220V时，输出功率从空载到满载（1000W）时，变换器的转换效率图；

图11为输入电压分别为220V时，输出功率从空载到满载时（1000W）时，输入电流谐波含量图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

本实施例提出一种单级隔离方案。采用无桥拓扑结构，结合软开关技术，实现输入输出电压隔离、功率因数校正（Power Factor Correction, PFC）和调节输出电压。电路拓扑如图1所示。

主电路部分采用基于谐振隔离型软开关方案。由输入整流二极管D₁、D₂和开关管S₁、S₂组成的无桥输入端、辅开关管S₃、升压电感L、功率管寄生电容C_r、钳位电容C_C、高频隔离变压器T₁、谐振电感L_r、原边电容C_P、副边电容C_S和整流二极管D₃、 D₄、D₅和D₆、输出电容C_o构成。定义S₁和S₂为主开关管，S₃为辅开关管。其中，S₁和S₂的驱动信号相同。主管和辅管按照互补开通方式工作，可以实现三个开关管的ZVS零电压导通。谐振电感L_r和原边电容C_P构成谐振电路，谐振频率可以大于、小于或等于开关频率。为了便于分析，以开关频率高于谐振频率为例进行分析，同时仅分析交流输入电压为正半周期时的工作情况，输入电压为负半周期类似。下面分六个阶段来进行分析，全周期示意图如图2所示, 在一个开关周期内，采用有源钳位技术，实现主开关管和辅开关管的零电压开通。本发明的电路和控制方法，具有能实现输入输出电压隔离、所需元器件少、转换效率高、控制简单和功率因数高等优点。

第一阶段(t₀-t₁)：

t₀时刻，主开关管S₁和S₂导通，辅开关管S₃关断。输入电感电流i_s线性增加，谐振电感电流i_Lr增加，但其方向为负，谐振电容电压U_Cp增加。变压器副边电流i_sec为负，电容电压U_Cs减小。且逐渐变成零，并给输出电容C_out充电，且电压U_out增加。二极管D₃和D₆导通。

变压器原边形成两个回路。电源U_s正端、电感L、开关管S₁、电容C_P、电感L_r、二极管D₂和电源U_s负端形成回路1。开关管S₁、电容C_P、电感L_r、开关管S₂形成回路2。其等效电路图如图3所示。此状态一直持续到t₁时刻, 谐振电感电流i_Lr增加到零。

第二阶段(t₁-t₂)：

t₁时刻，主开关管S₁和S₂保持导通，辅开关管S₃保持关断，输入电感电流i_s保持线性增加。谐振电感电流i_Lr由负变正，电容C_p开始放电，谐振电容电压U_Cp开始减小。变压器副边电流由负变正，副边二极管D_4、D₅导通，电容C_S开始充电，电容电压U_Cs升高，输出电容电压U_out升高。

电压器原边形成两个回路。电源Us正端、电感L、开关管S₂、二极管D₂和电源Us负端形成回路1。开关管S₁、电容C_P、电感L_r、开关管S₂形成回路2。其等效电路图如图4所示。

第三阶段(t₂-t₃)：

t₂时刻，主开关管S₁和S₂开始关断，辅开关管S₃保持关断。输入电感电流i_s开始线性减小,谐振电感电流i_Lr也开始减小，但依然为正值。电感电流i_s给主开关管S₂寄生电容C_r2充电，电容电压U_Cr开始升高。副边二极管D₄和D₅一直导通，电容Cs保持充电，电容电压U_Cs增加。辅管S₃寄生二极管开始导通，开始给钳位电容C_c充电。此过程时间较短，在此过程中输入电感电流i_s大小基本保持恒定。

变压器原边形成三个回路。电源Us正端、电感L、开关管S₁、钳位电容C_C、二极管D₂和电源Us负端形成回路1。电源Us正端、电感L、开关管S₂、二极管D₂和电源Us负端形成回路2。开关管S₃、电容C_P、电感L_r、钳位电容C_C形成回路3。其等效电路图如图5所示。

第四阶段(t₃-t₄)：

t₃时刻，主开关管S₁和S₂保持关断,辅开关管S₃开通。输入电感电流i_s保持线性减小。谐振电感电流i_Lr开始由减小，但方向为正，到t₄时刻减小到零。副边二极管D₄和D₅保持导通，并给电容Cs充电，电容电压U_Cs增加，输出电容电压U_out增加。直到t₄时刻，谐振电感电流i_Lr减小到零。

变压器原边形成两个回路。电源Us正端、电感L、开关管S₁、钳位电容C_C、二极管D₂和电源Us负端形成回路1。开关管S₃、电容C_P、电感L_r、钳位电容C_C形成回路2。由于辅开关管S₃的反并联二极管已经导通，辅开关管处于零电压(ZVS)开通状态。其等效电路图如图6所示。

第五阶段(t₄-t₅)：

t₄时刻，主开关管S₁ 和S₂关断，辅开关管S₃开通。谐振电感电流i_Lr开始由零反向增加，钳位电容C_C开始放电。副边二极管D₃和D₆导通，电容电压U_Cs减小。输入电感电流i_s保持线性减小。

变压器原边形成两个回路。电源Us正端、电感L、开关管S₁、电容C_p、电感L_r、二极管D₂和电源Us负端形成回路1。开关管S₃、电容C_P、电感L_r、钳位电容C_C形成回路2。其等效电路图如图7所示。

第六阶段(t₅-t₆)：

t₅时刻，辅开关管S₃关断。谐振电感电流i_Lr开始减小,方向为负。假设谐振电感L_r中存储的能量大于寄生电容C_r2存储的能量，寄生电容电压将被放电至零，此时主开关管S₂的反并联二极管导通。若此时开通主开关管，则主管处于零电压开通状态。t₆时刻开通S₁和S₂，另一个周期开始。

变压器原边形成两个回路。电源U_s正端、电感L、开关管S₁、电容C_p、电感L_r、二极管D₂和电源U_s负端形成回路1。开关管S₁、电容C_p、电感L_r、开关管S₂形成回路2。其等效电路图如图8所示。

根据上述技术方案，搭建了1KW样机。参数如下：变压器原边和副边匝比8:12，电感L=0.5mH、开关管S₁、S₂和S₃工作频率85KHz，电容Cp=4uF、电感Lr=5uH、电容Cs=2.2uF。

当输入电压为正半周期时，图9为开关管驱动波形和电压应力波形。图9a为主开关管S₂驱动及电压应力波形，图9b为辅开关管S₃驱动及电压应力波形，由图可知，功率管开通时，开关管漏源电压接近于零，处于零电压开通状态。由于开关管S₁在正半周期，反并联二极管处于导通状态，所以也处于零电压开通状态。输入电压为负半周期情况类似。

图10为输入电压分别为220V时，输出功率从空载到满载（1000W），变换器的转换效率图，由图可知，最高效率达到95.2%。

图11为输入电压分别为220V时，输出功率从空载到满载时（1000W）时，输入电流畸变率，由图11可知，输入电流畸变率最低为3.1%。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路，包括无桥输入端，其特征在于，所述无桥输入端包括输入电感、第一开关管、第二开关管、第一寄生电容、第二寄生电容、第一整流二极管、第二整流二极管、第一反并联二极管、第二反并联二极管，所述无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路还包括第三开关管、钳位电容、第三反并联二极管、谐振电感、原边电容、隔离变压器、副边电容、副边整流桥、输出电容；

输入电感一端连接输入端电源正极，输入电感另一端连接在第一开关管的发射极与第二开关管的集电极之间，输入端电源负极连接在第一整流二极管的阳极与第二整流二极管的阴极之间，第一开关管的集电极依次连接第一整流二极管的阴极、第三开关管的发射极和原边电容，谐振电感连接在原边电容和隔离变压器之间，第二开关管的发射极依次连接第二整流二极管的阳极、钳位电容负极、隔离变压器原边的另一端，第三开关管的集电极连接钳位电容的正极，第一寄生电容、第一反并联二极管均并联在第一开关管的集电极和发射极之间，第二寄生电容、第二反并联二极管均并联在第二开关管的集电极和发射极之间，第三反并联二极管并联在第三开关管的集电极和发射极之间，副边整流桥一端通过副边电容连接变压器副边，副边整流桥另一端连接输出电容。

2.如权利要求1所述的一种无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路，其特征在于，所述副边整流桥包括四个输入整流二极管组成的全桥整流电路。

3.一种基于权利要求1或2所述的无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路的无桥软开关谐振隔离型功率因数校正电路控制方法，其特征在于，所述控制方法通过在工作周期内控制开关管导通和关断来实现，所述工作周期具体包括：

第一阶段：

第一开关管和第二主开关管导通，第三开关管关断，输入电感电流线性增加，谐振电感电流增加，但其方向为负，谐振电容电压增加，隔离变压器副边电流为负，副边电容电压减小，且谐振电感电流由负值逐渐增加到零，给输出电容充电，输出电压增加；

第二阶段：

第一开关管和第主开关管保持导通，第三开关管保持关断，输入电感电流保持线性增加，谐振电感电流由负变正，原边电容开始放电，原边电容电压开始减小，隔离变压器副边电流由负变正，副边电容开始充电，副边电容电压升高，输出电容电压升高；

第三阶段：

第一开关管和第二开关管开始关断，第三开关管保持关断，输入电感电流开始线性减小,谐振电感电流也开始减小，但依然为正值；

输入电感电流给第二开关管的第二寄生电容充电，第二寄生电容电压开始升高；

副边电流保持为正值，并给副边电容充电，副边电容电压增加，第三开关管的第三反并联二极管开始导通，开始给钳位电容充电；

第四阶段：

第一开关管和第二开关管保持关断,第三开关管开通，输入电感电流保持线性减小，谐振电感电流开始减小，但方向为正，直至减小到零，副边电流保持正值并给副边电容充电，副边电容电压增加，输出电容电压增加，直至谐振电感电流减小到零；

第五阶段：

第一开关管和第二开关管关断，第三开关管开通，谐振电感电流开始由零反向增加，钳位电容开始放电；

副边电流开始反向变成负值，副边电容电压减小，输入电感电流保持线性减小；

第六阶段：

第三开关管关断，谐振电感电流开始减小,方向为负，此时谐振电感中存储的能量大于第二寄生电容存储的能量，第二寄生电容电压将被放电至零，此时第一开关管、第二开关管的反并联二极管导通，若此时开通第一开关管、第二开关管，则第一开关管、第二开关管处于零电压开通状态，另一个周期开始。